Химические процессы при однократном промерзании рыхлых отложений.

Древнейший ледниковый период.

Древнейший - раннепротерозойский - леднико­вый период (2,4-2,1 млрд. лет) в истории Земли связывается обычно с обнаружением мощных толщ осадочных пород (до не­скольких сотен метров), которым приписывается ледниковое происхождение. Это район оз. Гурон в Канаде, восточная часть Южной Африки и северо-западная часть Австралии. Такие тол­щи пород проявляют большое сходство с моренами и состоят из обломков различной формы и размеров и мелкозернистого за­полнителя, т. е. могут характеризоваться как типичные тиллиты. В гуронских отложениях при этом обнаружены скальные поверхности и обломки с ледниковой штриховкой. Указанные три района развития раннепротерозойских оледенении находят­ся в настоящее время на значительном расстоянии друг от друга. Согласно существующим реконструкциям положения материков в прошлом можно предполагать существование в то время гигантского «протерозойского суперконтинента» с двумя главными центрами оледенения: в Северной Америке и в Южной Африке - Западной Австралии. Возможно, что именно к этим двум районам в раннем протерозое и были приурочены обширные области развития многолетнемерзлых горных пород.

Химические реакции и процессы в дисперсных породах.

В дисперсных породах при промерзании, протаивании и в мерзлом состоянии практически идут те же химические реак­ции, что и в немерзлых породах. Это реакции растворения, гид­ратации, гидролиза, замещения, окисления - восстановления, ионного обмена и др. Протекание их в криолитозоне характери­зуется рядом специфических черт. Так, реакции растворения характеризуются пониженной интенсивностью, поскольку с по­нижением температуры растворимость различных солей су­щественно уменьшается. По-видимому, из-за невысоких темпе­ратур в криолитозоне широко распространены продукты хими­ческого взаимодействия между растворенными веществами и молекулами воды: гидраты и кристаллогидраты. Реакции катионного обмена, вероятно, имеют преобладающее значение для мерзлых пород, поскольку незамерзшая вода представ­ляет собой весьма концентрированный раствор, ионы которого активно взаимодействуют с ионами минеральной поверхности пород.

Для криолитозоны характерна специфич­ность в проявлении геохимических. Свободная вода оказывает суще­ственное влияние на сезонномерзлые породы только в теплый период года. Основная же роль принадлежит связанной (неза­мерзшей) воде, находящейся во взаимодействии и динамиче­ском равновесии со льдом и горной породой.

Грунтовые воды, как правило, характеризуются повышен­ным содержанием углекислоты, так как с понижением темпе­ратуры резко возрастают растворимость газов (в том числе и СО₂) в водных растворах и содержание органического веще­ства. Так, в почвах Большеземельской тундры содержание сво­бодной Н₂СО₃ достигает 200 мг/л, а иона НСО₃ - 650 мг/л. Поэтому концентрация водородных ионов в почвенных водах криолитозоны возрастает в несколько сотен раз, что, по-види­мому, и определяет кислую реакцию среды. От рН среды зависят характер протекания многих химических реакций и поведение компонентов горных пород. Кислая среда более агрес­сивна, химически активна, она интенсивно разлагает силика­ты, в ней сильнее, по сравнению с нормальной и щелочной среда­ми, идут реакции гидролиза.

Специфика развития геохимических процессов в мерзлых породах связана также с содержанием атомарного водорода (восстановителя) и кислорода (окислителя). Считается, что при фазовых превращениях воды в лед выделение водорода может достигать значительных величин. Так, например, при переходе 1 м³ воды в лед выделяется 120 г/моль атомарного водорода. В криолитозоне, для которой характерна большая влажность пород, доступ кислорода в породы затруднен. По­этому кислородная поверхность, характеризующая распростра­нение свободного кислорода по глубине земной коры, на севе­ре поднимается вверх, достигая в заболоченных местах поверх­ности земли. В итоге в мерзлых породах криолитозоны должна преобладать восстановительная обстановка, что приводит к повышению содержания двухвалентного железа Fе²- и форми­рованию его закисных соединений (сидерита, пирита, вивиани­та и др.).

Отличительную особенность в криолитозоне имеют и про­цессы образования органического вещества. Превра­щение растительных и животных остатков в органическое вещество вследствие замедленности биологических и биохимиче­ских реакций здесь протекает недостаточно интенсивно. В ре­зультате процесс разложения остатков (гумусообразование) завершается на менее зрелой стадии. Это приводит к форми­рованию не гуминовых (конечная стадия разложения), а фульвокислот, отличающихся светлой окраской. В тундровых почвах содержание фульвокислот может достигать 70%, а на гуминовые приходится лишь 10-15% гумусовым веществ. Емкость обмена, подвижность и химическая активность их больше, чем гуминовых кислот. Благодаря высокой кислот­ности фульвокислоты разрушающе действуют на минералы и равномерно пропитывают почву, образуя массивный слитный слой. Более вязкие и менее подвижные гуминовые кислоты в почве способствуют формированию комковатой, ореховатой структуры, которая характерна, например, для черноземов.

Экзаменационный билет № 2

Позднепротерозойский ледниковый период.

Позднепротерозойский ледниковый период (0,95-0,6 млрд. лет), по-видимому, как и раннепротерозойский, включал три (а возможно и серию) самостоятельных ледниковых этапа: около 600, 750 и 950-900 млн. лет назад. Формирование ледниковых покровов происходило при этом на фоне раскола «протерозойского суперконтинента». Ряд американских исследователей считают, что, это время было периодом самого обширного оледенения в истории Земли, поскольку ледниковые покровы могли тогда формироваться в высоких, умеренных и даже тропических широтах материков. Разрезы ледниковых отложений в Шотландии, где тиллитовая формация характеризуется мощностью до 870 м вмещает более четырех десятков «микститовых» горизонтов неясного генезиса. Микститы- осадочные породы, состоящие из смеси тонких частиц, гальки и более крупных обломков,-обычно переслаиваются с песчаниками, алевролитами и другими слоистыми и осадочными породами, что указывает на их формирование в обстановке мелководного шельфа. Вообще для позднепротерозойских тиллитовых формаций характерна ледниково-морская цикличность. В кровле некоторых микститовых горизонтов встречены крупные полигональные трещины, заполненные песчаниками и конгломератами, что позволяет интерпретировать их как трещинно-полигональные образования (песчаные, земляные жилы, а возможно и псевдоморфозы по ледяным жилам), характерные для области развития современной мерзлоты и перигляциальных районов.

Химические процессы при однократном промерзании рыхлых отложений.

При промерзании рыхлых отложений в первую очередь проис­ходит образование твердой фазы воды-льда, который является новым минеральным образованием. Гравитационная, капил­лярная и слабосвязанная пресная вода кристаллизуется при близких к О °С отрицательных температурах. Пленочная вода замерзает в широком диапазоне отрицательных температур, определяемом по кривой незамерзшей воды. Со­леные воды с минерализацией более 30 г/л кристаллизуются лишь при температурах, близких к -1,5-2 °С, а рассолы могут не замерзать при -20 °С и ниже. При этом замерзание воды обычно сопровождается резко, выраженной дифферен­циацией солей между твердой и жидкой фазами воды. Часть солей, растворенных в воде, оказывается вовлеченной в лед, часть наименее растворимых солей выпадает в осадок, а часть легкорастворимых солей отжимается в нижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.

В результате такого криогенного концентрирования отжимаемых вод образуются весьма высокоми­нерализованные (до 200 г/л и более) подмерзлотные (а иногда и межмерзлотные) воды (криопэги).

Для области развития мерзлых пород харак­терно образование газов в гидратной форме-газогидра­тов. Основа кристаллической решетки газогидрата построена из молекул воды. Молекулы газа - гидратообразователя раз­мещены во внутренних полостях кристаллической решетки. Са­ма по себе такая кристаллическая решетка воды (без молекул газа) термодинамически неустойчива и в обособленном виде существовать не может. В природных условиях наиболее часто эту структуру кристаллической решетки заполняют молекулы метана, этана, сероводорода и углекислоты. При внедрении газа в решетку воды происходит затвердевание. Теплота фа­зовых переходов для газогидратов составляет около 0,5 кДж/г. При тепловом облучении и взаимодействии с водой газогидрат с шипением разлагается, интенсивно выделяя газовые пузырь­ки.

Экзаменационный билет № 3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: